武軍杰，鄧曉紅，張 杰，王興春，楊 毅

（中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000）

瞬變電磁法利用不完整數(shù)據(jù)進行一維反演的可行性分析

武軍杰，鄧曉紅，張 杰，王興春，楊 毅

（中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000）

為充分利用已經(jīng)采集獲得的并不完整的瞬變電磁衰減曲線，以一維三層理論模型以及實測數(shù)據(jù)為例進行了計算，計算結(jié)果說明，在不能獲得整條衰減曲線時，利用部份時段進行反演獲取一定的的地質(zhì)信息，是一種可行的補救措施。試驗的前提是瞬變響應(yīng)曲線是正常的符合衰減規(guī)律的曲線，而對于畸變的曲線是不適合的。

瞬變電磁；不完整數(shù)據(jù)；反演；可行性

0 前言

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一種時間域電磁法，是以地下巖、礦石導(dǎo)電性差異為地球物理前提，根據(jù)電磁感應(yīng)原理的觀測方式，來研究電磁場時間和空間分布規(guī)律，以尋找地下良性導(dǎo)電礦體或解決相關(guān)地質(zhì)問題的一種地球物理勘查方法。瞬變電磁法場源的激勵方式有兩種，即不接地回線框磁性源和接地有限長導(dǎo)線電性源。磁性源瞬變電磁法的工作原理是，利用不接地回線供于脈沖電流，產(chǎn)生一次場，在該磁場的激勵下，導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生渦流。當脈沖電流從峰值躍變?yōu)榱銜r，一次場消失，而產(chǎn)生的渦流并不會立即消失，其消失過程是一個瞬變過程，這個過程的快慢與地質(zhì)體電性參數(shù)有關(guān)。地質(zhì)體導(dǎo)電性越好，感應(yīng)渦流熱損耗越小，瞬變過程就越長。由于感應(yīng)渦流在導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播是擴散方程，其逐步向地下深部擴散，其擴散范圍隨時間推移也逐步擴大，并在地下半空間產(chǎn)生二次電磁場，該二次場隨時間逐漸消失。因此對于不同地下電性結(jié)構(gòu)，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次場消失過程也將有所不同，據(jù)此就有可能通過測量和分析感應(yīng)渦流產(chǎn)生的瞬變響應(yīng)，來確定地下導(dǎo)體的電性分布結(jié)構(gòu)和空間形態(tài)［1～9］。

TEM方法特點是：

（1）把頻率域法的精確度問題轉(zhuǎn)換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度。

（2）在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏影響的假異常，在低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，早期道的地形影響也較易分辨。

（3）可以采用同點裝置進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的異常相應(yīng)強，形態(tài)簡單，分層能力強，有穿透低阻覆蓋的能力。

目前，TEM主要應(yīng)用在礦產(chǎn)勘查，構(gòu)造探測，水文與工程地質(zhì)調(diào)查，環(huán)境調(diào)查與檢測，以及考古等物探工作的各個領(lǐng)域。近年來，在找水、市政工程、土壤鹽堿化和污染調(diào)查，以及淺層石油構(gòu)造填圖都有良好的效果［2］。

在實際野外數(shù)據(jù)采集過程中，由于種種原因，TEM原始數(shù)據(jù)在早期或者晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量差，信噪比低，而其它時間道數(shù)據(jù)質(zhì)量尚可，這些數(shù)據(jù)往往被舍棄掉，不能參與數(shù)據(jù)處理。因為只有完整的一條衰減曲線（從下降沿結(jié)束開始一直到晚期道響應(yīng)接近噪聲水平），才能完全展示地下介質(zhì)的二次場變化規(guī)律，進而充分表達該測點下方地電斷面。但是這些數(shù)據(jù)中仍然包含了地下介質(zhì)部份信息，反映了地下介質(zhì)某個地段的衰減規(guī)律。

為此，通過理論模型正、反演計算，來說明利用不完整衰減曲線進行處理的可行性及合理性。首先，建立理論模型，進行正演計算，將正演曲線在不同位置進行截斷，對截斷后的衰減曲線進行一維反演計算，與理論模型進行對比，判斷計算結(jié)果是否可靠。然后，在理論模型計算的基礎(chǔ)上，對實測數(shù)據(jù)進行處理，從而論證TEM方法充分利用不完整數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理的可行性以及存在的問題。

1 理論模型計算結(jié)果及分析

建立一維三層H型理論模型（參數(shù)見表1），計算一維層狀理論模型瞬變響應(yīng)，然后進行一維反演驗證其計算效果。

正演參數(shù)設(shè)置為：發(fā)射框200m×200m，發(fā)射電流1A，時間道0.054ms～15.96ms，下降沿500μs，接收面積1m2。

表1 一維三層理論模型參數(shù)表Tab.1 Parameters list of 1Dthree layer model

理論模型正、反演計算結(jié)果如圖1所示（見下頁）。在圖1中，右圖為正演計算結(jié)果，其中虛線為均勻半空間（500Ω·m）瞬變響應(yīng)曲線，實線為理論模型瞬變響應(yīng)曲線；左圖中虛線為理論模型，實線為理論模型正演數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，反演利用了全部31道數(shù)據(jù)。從圖1中可以看出，一維反演結(jié)果與理論模型基本吻合，能夠反映出三層H型理論模型的電阻率特征。

為了說明利用部份數(shù)據(jù)來進行反演的效果，對理論模型的正演數(shù)據(jù)進行了不同時間道截斷，情況如下：

（1）利用1道～25道、1道～20道、1道～15道數(shù)據(jù)進行反演，結(jié)果如下頁圖1。

（2）利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道數(shù)據(jù)進行反演，結(jié)果見后面圖2。

（3）利用5道～25道、10道～20道數(shù)據(jù)進行反演，結(jié)果如后面圖3所示。

通過對比分析，從圖1～圖3中可以看出：

（1）利用前26道、前21道數(shù)據(jù)，并不影響計算的準確性，并且還能夠準確地反映出低阻層位置，只是深部的信息沒有反映出來。當晚期道截斷后16道，只利用1道～15道進行計算時，一維反演電阻率曲線發(fā)生畸變，并不可信。

（2）將早期道數(shù)據(jù)截斷后，利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道數(shù)據(jù)進行計算，一維反演結(jié)果與實際情況吻合。由于早期道、中期道截掉后，也損失掉了淺部信息，所以11道以后數(shù)據(jù)反演結(jié)果只反映了低阻層下部信息。

（3）利用6道～26道數(shù)據(jù)反演的電阻率曲線所反映的主要為低阻層信息，低阻層上部、下部的信息有所缺失。

由以上計算結(jié)果可以看出，對于三層H型地電斷面，適當?shù)亟財嗖糠菪盘栠M行數(shù)據(jù)處理，仍然可以反映出地下介質(zhì)相應(yīng)的信息。但是，截斷不當也會產(chǎn)生不可預(yù)計的后果，如本例中從后往前截斷超過15道時，計算結(jié)果出現(xiàn)蹦跳。另外值得注意的是，在本次計算中，從前往后截斷效果好于從后往前截斷，這是因為所用的一維反演程序的計算方法中，開始是從晚期時間道開始計算的，是從層狀初始模型的最底層往上推算的，因此從前往后截斷的效果較好。而從后向前截斷時，當截斷一定的道數(shù)，剩余道數(shù)較少時，會造成算法出現(xiàn)較大誤差，結(jié)果不可信。

通過以上對反演結(jié)果分析可知，在瞬變響應(yīng)曲線上面存在一處“關(guān)鍵段”，該段瞬變響應(yīng)曲線包含了目標體的主要信息，可以稱為該曲線的“特征段”。例如在本例中，如果三層介質(zhì)中的低阻層是目標層的話，那么6～15時間道就為特征道，在其它時間道損失的情況下，還能通過該段曲線反演結(jié)果反映出目標低阻層。同樣地，如果目標層為低阻層下方的地層的話，那么，“特征段”就會改變，如果晚期道數(shù)據(jù)損失，就不能達到反映目標地層的目的。需要強調(diào)的是，一條完整的瞬變響應(yīng)衰減曲線，是測點下方介質(zhì)整體反映，其早期道是下方介質(zhì)整體在早期時間道的反映，晚期道是下方介質(zhì)在晚期時間道上的反映。所以，早期道并不僅僅包含淺部的信息，晚期道并不僅僅是深部的反映。但是，不同的地質(zhì)體或者地層的主要信息，可以反映在其特征段內(nèi)。通過特征段的反演可以獲得目標地質(zhì)體或地層的主要信息。另外，在本算例中低阻層的頂界面埋深為300m，其特征段主要在早期、中期時間道。而如果低阻層的埋深較深的話，那么其特征段將會主要分布在中晚期道，此時晚期道就不能截掉了。

圖3 理論模型正演計算瞬變響應(yīng)曲線及一維反演結(jié)果圖（截掉早期、晚期數(shù)據(jù)）Fig.3 TEM response curves of theory model and 1Dinversion curves（cut off both early and late time channel data）

2 實測數(shù)據(jù)計算

圖4（見下頁）為某礦區(qū)實測數(shù)據(jù)利用不同時間道進行一維反演計算的結(jié)果，作者在圖4中給出了實測原始瞬變曲線。

（1）圖4（a）為將瞬變響應(yīng)曲線晚期道截斷不同道數(shù)，然后進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（a）中列出了分別使用1道～36道、1道～32道、1道～30道、1道～28道、1道～23道、1道～20道時間道數(shù)據(jù)進行一維反演計算的結(jié)果對比情況。可以看出，整條衰減曲線（1道～36道）反演的電阻率曲線為明顯的K型，所反映的深度約為150m～900m。1道～32道數(shù)據(jù)計算結(jié)果與1道～36道計算結(jié)果基本相同，曲線形態(tài)為K型，只是深度略有差別。當使用1道～30道數(shù)據(jù)計算時，曲線形態(tài)仍然為K型，但是曲線尾支明顯抬高。1道～28道、1道～23道數(shù)據(jù)計算結(jié)果K型曲線尾支不斷抬高，而當使用1道～20道數(shù)據(jù)計算時，其結(jié)果曲線只能反映電阻率隨深度增大，并不能反映下方低阻層。從圖4（a）中可以看出，晚期道數(shù)據(jù)包含了深部低阻層的主要信息，當不斷截掉晚期時間道后，使反演的低阻層的電阻率逐漸變高，最終不能反映低阻層的存在。所以，當晚期道數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，刪掉晚期道后，反演結(jié)果中淺部信息較為可靠，所反映的深部信息僅可作為參考，可信度并不高。

（2）見下頁，圖4（b）為將瞬變響應(yīng)曲線早期道截斷不同道數(shù)進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（b）中列出了分別使用1道～36道、8道～36道、13道～36道、16道～36道、21道～36道時間道數(shù)據(jù)進行一維反演計算的結(jié)果對比情況。從下頁圖4（b）中可以看出，在早期道截斷不同的道數(shù)后的反演結(jié)果與完整曲線計算結(jié)果是吻合的，只是所反映的淺部的信息缺失了。即使截斷到21道～36道時，其反演結(jié)果所反映的信息仍然是準確的，并沒有發(fā)生畸變。

（3）見下頁，圖4（c）為將瞬變響應(yīng)曲線早期、晚期道同時截斷不同道數(shù)進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（c）中列出了分別使用1道～36道、6道～3 1道、1 1道～2 6道、1 6道～2 6道、6道～20道時間道數(shù)據(jù)進行一維反演計算的結(jié)果對比情況。從圖4（c）中可以看出，在早期晚期同時截斷不同時間道后，反演結(jié)果差別較大，曲線首支基本重合，而尾支差別較大。分析其原因，主要是因為晚期道截斷造成的。損失掉晚期道數(shù)據(jù)，包含的深部主要信息也缺失，從而形成了截斷時間道數(shù)據(jù)越多，其反演的電阻率曲線反映的電阻率越高的特征。

圖4 某礦區(qū)實測數(shù)據(jù)不同時間道一維反演結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of plot of field curves in some mining area and 1Dinversion curves using different time channels data

3 結(jié)語

通過理論模型以及實測曲線的一維反演計算可以說明，在特殊情況下，利用不完整數(shù)據(jù)可以獲得不同程度的地下信息，但也存在一定的限制條件，使用不當會產(chǎn)生不可靠的信息。所以，在野外實測數(shù)據(jù)時必須嚴格遵守操作規(guī)范，合理選擇參數(shù)，盡最大可能地獲取完整的衰減曲線。以下為通過對理論數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)計算結(jié)果進行分析后總結(jié)出的初步認識：

（1）對于TEM方法，只有利用完整的衰減曲線進行反演計算，才能充分反映地下電性結(jié)構(gòu)展布。在對完整數(shù)據(jù)進行截斷后，無論是早期還是晚期數(shù)據(jù)，都會損失部份信息，甚至造成假象。但是在不能可靠獲得整條完整衰減曲線時，利用部份時段進行反演，獲取一定的地質(zhì)信息，是干擾區(qū)勘查的一種可行的補救措施。

（2）對于TEM方法，地下目標地層或者目標地質(zhì)體信息分布于整條衰減曲線，但是其主要信息會集中分布在某一段曲線（特征段）中，不同性質(zhì)的目標體對應(yīng)不同的“特征段”。一般來說，淺部地質(zhì)體的“特征段”主要分布在早期道數(shù)據(jù)中；深部地質(zhì)體的“特征段”主要分布于晚期道數(shù)據(jù)中，但特殊情況除外，如淺部存在較大規(guī)模低阻體，整條衰減曲線主要反映淺部信息。因此，在截掉部份曲線后，其所對應(yīng)的地下信息便不能全面反映出來。在實測數(shù)據(jù)中，深部低阻體信息主要反映在晚期道數(shù)據(jù)中。在晚期道數(shù)據(jù)不斷損失的過程中，其所對應(yīng)的地下低阻體信息，也在反演的電阻率曲線上體現(xiàn)得越來越少，并且當該“特征段”完全損失掉后，將造成深部為高阻的假象。

（3）通過對TEM數(shù)據(jù)在早期截斷和晚期截斷對比結(jié)果可以看出，晚期截斷不當會造成假象；而在早期道截掉后，反演結(jié)果不會失真，只是對應(yīng)淺部信息損失掉了。

（4）以上討論只是建立在TEM原始曲線是正常衰減曲線的基礎(chǔ)上，如果原始曲線已經(jīng)發(fā)生了畸變，衰減規(guī)律不正常，其計算結(jié)果就不可靠。如再截掉部份數(shù)據(jù)后計算，其結(jié)果就更加不可靠。

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A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.10

1001—1749（2012）05—0559—07

國家危機礦山接替資源勘查專項（200699066）；公益性行業(yè)專項（200911017）

2011－12－27 改回日期：2012－06－01

武軍杰（1979－），男，河北欒城人，碩士，主要研究方向為電磁法勘探研究。